proteínas para usos industriales - biotecnología...

P R O F : J A V I E R C A B E L L O S H C O M B U R G , M S

Proteínas para usos industriales

Casi todas las reacciones en células vivas son catalizadas y controladas por enzimas. 3.000 descritas 10.000 en la naturaleza Pocas o 1.000 o 100.00 Catalizadores biológicos, convirtiendo sustancias en otros productos sin sufrir cambio alguno.

Enzimas

Descubrimiento de enzimas digestivas siglo XIX. Desarrollo de métodos para obtención de enzimas de matanza de animales.

Pepsina del forro de estómago de cerdos y ganado, del cuajo del estómago de becerros. Cócteles de enzimas con tripsina, quimiotripsina, lipasas y amilasas del páncreas de cerdo.

animales, plantas y microorganismos como fuentes de enzimas

Plantas fuentes potenciales de enzimas a escala industrial. Granos, remojar y germinar, se convierten en malta que contiene amilasas y proteasas usadas en la producción de cerveza y la destilación de bebidas alcohólicas.

Siglo XIX, métodos simples para obtención de grandes cantidades de proteasas de la savia de plantas tropicales.



Ablandadores de carne, digestión y limpieza de lentes de contacto. Papaina y quimiopapaina del árbol de la papaya. Ficina de higueras. Bromelaina del tallo de la planta de la piña.


En Europa es difícil obtener enzimas de plantas. Suministro y concentración de las enzimas varía con las estaciones del año. Requerimiento de grandes cantidades de plantas como material. Procesamiento de grandes cantidades de plantas es un trabajo muy duro.

Fácil manejo Alto rendimiento

Estabilidad


X X

Producción de grandes cantidades a bajo coste

Microorganismos como fuentes de enzimas

No afectada por las estaciones del año

Uso de mutantes y procesos de selección que aumentan la producción

Producción de enzimas hechas a medida a través de ingeniería genética y diseño de proteínas


Enzimas hidrolíticas simples como: proteasas, amilasas, pectinasas

Degradan polímeros naturales como proteínas, almidones o pectina

Enzimas extracelulares

Fácil extracción Bajo coste

Poco específicas

Jokichi Takamine 1894


Enzima takadiastasa

A partir de hongos

Nutrientes y minerales al almidón de trigo. Inoculación con esporas de Aspergillus orizae. Almacenamiento. Lavar con solución de sal. Extracción de enzimas, amilasa y proteasas, secretadas por las células fúngicas.

Enzimas Microbianas y sus aplicaciones Enzima Fuente Aplicación industrial Industria

Amilasa Hongos Pan Panadera

Bacterias Revestimientos amiláceos Papelera

Hongos Fabricación de jarabe y glucosa Alimentaria

Bacterias Almidonado en frío de la ropa Almidón

Hongos Ayuda digestiva Farmacéutica

Bacterias Eliminación de revestimientos Textil

Bacterias Eliminación de manchas; detergentes Lavandería

Proteasa Hongos Pan Panadera

Bacterias Eliminación de manchas Limpieza en seco

Bacterias Ablandador de la carne Cárnica

Bacterias Limpieza de las heridas Medicina


Bacterias Detergente doméstico Lavandería

Invertasa Levadura Relleno de caramelos Confitería

Glucosa Oxidasa Hongos Eliminación de glucosa y oxígeno,

papeles para pruebas de la diabetes

Alimentaria

Farmacéutica

Glucosa Isomerasa Bacterias Jarabe de cereales rico en glucosa Bebidas refrescantes

Pectinasa Hongos Prensado, clarificación del vino Zumos de frutas

Renina Hongos Coagulación de la leche Quesera

Celulasa Bacterias Suavizante y abrillantador de tejidos; detergente Lavandería

Lipasa Hongos Degradar la grasa Lechería, lavandería

Lactasa Hongos Degradar la lactosa a glucosa y galactosa Lechería, alimentos

DNA polimerasa Bacterias; Archea Replicación del DNA por PCR Investigación biológica y forense

Aplicaciones de las Enzimas Microbianas

Enzima Fuente Aplicación industrial Industria

Amilasa Hongos Pan Panadera

Bacterias Revestimientos amiláceos Papelera

Hongos Fabricación de jarabe y glucosa Alimentaria

Bacterias Almidonado en frío de la ropa Almidón

Hongos Ayuda digestiva Farmacéutica


Bacterias Eliminación de manchas; detergentes

Lavandería

Amilasas

Almidón Compuesto de almacenamiento de energía en plantas (maíz, arroz, patata, trigo). Fuente de nutrición muy importante en animales y humanos (70-80%).

Amilasas Degradación del polisacárido almidón.

Últimos 20 años las amilasas han reemplazado la hidrólisis ácida.

a-amilasa de Bacillus y glucoamilasa de Aspergillus.

Sacarificación genera mucha dextrosa, degradación de almidón más corta, sin tratamiento ácido.

Amilasas Producción de Cerveza

Reemplazo de malta por granos sin germinar de maíz o arroz, prácticamente no contienen enzimas.

Se añaden enzimas, amilasas, glucanasas y proteasas, de hongos y bacterias.

Almidón a azúcares que sufren fermentación alcohólica por levaduras.

Amilasas Hornear pan

El uso de enzimas en panadería se ha vuelto popular.

Las amilasas aceleran la degradación del almidón, y así aumenta el contenido de azúcar en la masa, acelerando el proceso de fermentación.

El volumen del pan preparado con enzimas aumenta.

Amilasas Desengomado

Desengomado. Las amilasas eliminan la goma protectora basada en almidón, para hacer la mezclilla elástica.

Antes se hacía con amilasas obtenidas de malta o de páncreas de animales, pero hoy en día se obtienen de bacterias.

Enzimas resistentes a altas temperaturas para acelerar el proceso.

Aplicaciones de las Enzimas Microbianas

Enzima Fuente Aplicación industrial Industria

Proteasa Hongos Pan Panadera

Bacterias Eliminación de manchas Limpieza en seco

Bacterias Ablandador de la carne Cárnica

Bacterias Limpieza de las heridas Medicina


Bacterias Detergente doméstico Lavandería

Proteasas Ablandan la carne

La papaya contiene altas concentraciones de las proteasas papaina y quimiopapaina.

Degradan el tejido conectivo de la carne, como el colágeno y la elastina, haciéndola más tierna.

Proteasas Ablandan la carne

Se usan toneladas de papaina en polvo cada año para ablandar la carne en muchos países.

Ficina del árbol de higos y bromelaina de la planta de piña.

Se frota la carne y se deja a temperatura ambiente varias horas.

Proteasas Hornear pan

El gluten se degrada por proteasas obtenidas de hongos para hacer la masa más fácil de manejar y aumenta su capacidad para retener burbujas de aire. El gluten se une parcialmente al agua y tiene consistencia de gel. Las proteasas degradan las proteínas pegajosas (gluten) en la masa.

Proteasas Suavizan el cuero

Las proteasas de microorganismos son altamente efectivas en la producción de cuero.

Después de remover el pelo y antes de curtir, el cuero debe ser suavizado por un proceso conocido como rendido o purga.

Antiguamente se sumergía en agua y estiércol fermentado de perro o pájaro, que son un campo de cultivo para las bacterias que producen proteasas suavizantes de cuero.

Enzimas Microbianas y sus aplicaciones Enzima Fuente Aplicación industrial Industria

Invertasa Levadura Relleno de caramelos Confitería

Glucosa Oxidasa Hongos Eliminación de glucosa y oxígeno, papeles para pruebas de la diabetes

Alimentaria Farmacéutica

Glucosa Isomerasa Bacterias Jarabe de cereales rico en glucosa Bebidas refrescantes

Pectinasa Hongos Prensado, clarificación del vino Zumos de frutas

Renina Hongos Coagulación de la leche Quesera

Celulasa Bacterias Suavizante y abrillantador de tejidos; detergente

Lavandería

Lipasa Hongos Degradar la grasa Lechería, lavandería

Lactasa Hongos Degradar la lactosa a glucosa y galactosa

Lechería, alimentos

DNA polimerasa Bacterias; Archea

Replicación del DNA por PCR Investigación biológica y forense.

Pectinasas Producción de zumo de frutas

Al prensar fruta y vegetales para la obtención de jugo, las pectinas de alto peso molecular reducen la producción.

Se pica la fruta y se añaden pectinasas para degradar las pectinas de larga cadena.

Pectinasas procedentes de cultivos sumergidos de Aspergillus y Rhizopus.

Se reduce la viscosidad del zumo, facilitando la filtración y se obtiene más cantidad.

Alimentación de bebés, las pectinasas maceran las fruta y los vegetales para hacerlos más suaves y fáciles de comer.

Detergentes biológicos La aplicación más importante de las enzimas hidrolíticas

+ Las manchas que contienen proteínas son difíciles de remover. Proteínas no se disuelven fácilmente en agua.

+ A altas temperaturas, la proteína se cuaja en las fibras textiles y es más difícil de eliminar.

+ Polvo, hollín y materia orgánica como grasas, proteínas, carbohidratos y pigmentos. Las grasas y las proteínas actúan como pegamento.

+ Los detergentes sueltan la grasa de la tela, las proteínas permanecen en el material.


Descubrimiento de la subtilisina de Bacillus lincheniformis.

Producción a gran escala de detergentes biológicos 1960.

Enzimas pancreáticas poco estables y muy caras.

Activa bajo condiciones alcalinas.


Poca especificidad. Omnívoros.

Proteasas 1:50, actividad óptima durante el proceso de lavado.

Detergentes biológicos usados ampliamente, desde mediados 1960.

Degradan proteínas pegadas en aminoácidos y péptidos de cadena corta.

Las proteínas son desprendidas de las fibras textiles y eliminadas.


Disuelven manchas vino tinto, pasto, fruta, café y te, y mezclas de manchas más comunes.

La eliminación enzimática de manchas: proteasas, lipasas y amilasas.

Actividad óptima 50-60ºC. No necesita hervir.

Helado de fruta, el yogurt o la salsa de tomate no sólo contiene pigmento, también proteínas y grasas.

Salsa, ketchup y comidas preparadas contienen pigmento, proteínas, grasas y almidón.

Producción de enzimas para detergentes

Las células productoras de enzimas se cultivan en biorreactores con agitación

10-50 litros

10.000-100.000 litros

5-15% almidón predegradado 2-3% harina de soja

2% proteína de leche o gelatina fosfato Esterilización con vapor 20-30 minutos a 121ºC Enfriamiento a temperatura de cultivo 30-60ºC. pH neutro y cultivo bien aireado Inoculación con cultivo puro de cepa de Bacillus licheniformis La bacteria usa las fuentes de nitrógeno disponibles 10-20 horas después se detecta en el medio la proteasa subtilisina Las células se centrifugan y el sobrenadante se concentra por ultrafiltración

10-20 horas

Secado por spray. Partículas de 0.5-2 mm

Proteasas y Amilasas

Uso en detergentes: proteasas, amilasas, lipasas, reductasas, etc.

Bacillus licheniformis

Detergentes: medios alcalófilos pH 9-10

Amilasas y glucoamilasas en industria alimentaria. Jarabe de cereales rico en fructosa Reacción de clarificación: a-amilasa (almidón acortado)

Sacarificación: glucoamilasa (genera glucosa)

Isomerización: glucosa isomerasa (glucosa en fructosa)

A)Temperatura - Psicrófilos - Mesófilos - Termófilo - Hipertermófilos

B) Acidez y alcalinidad Acidófilos Alcalófilos

C) Disponibilidad de agua - Sal: Halófilos y Halófilos extremos - Azúcar: Osmófilos - Secos: Xerófilos

Extremoenzimas

Efecto de la temperatura sobre la velocidad de crecimiento y las consecuencias moleculares para las células

Relación de la temperatura y velocidad de crecimiento

Microorganismos termófilos e hipertermófilos

Crecimiento de una cianobacteria termófila en un arroyo caliente en el parque nacional de

Yellowstone

Microorganismos del mar de hielo antártico

Núcleo de agua de mar

permanentemente congelada.

La coloración densa es debida a

microorganismos

Microfotografía de contraste d fases de

microorganismos fototróficos de la

muestra anterior.

(Diatomeas o algas verdes)

Alga de la nieve

Chlamydomonas nivales

Microorganismos Acidófilos y Alcalófilos

Microorganismos y Actividad del Agua

Microorganismos y Actividad del Agua

Halófilos: crecen en altas concentraciones de sal Discretos: 1-6% NaCl Moderados: 6-15% NaCl Extremos: 15-30% NaCl

Osmófilos: crecen en altas concentraciones de azúcar

Xerófilos: crecen en ambientes muy secos

Referencias

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